JP5439475B2 - 発される光にデータを組み込む光モジュール、照明システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、原色光を発することが可能である少なくとも2つの一次光源であって、強度（Ｙ）及び色座標(x,y)を有する光を発することを可能にする一次光源を含む光モジュールであって、発される光にデータの埋め込みを可能にする、一次光源を変調することが可能である変調器を更に含む光モジュールに関する。更に、本発明は、このような光モジュールを含む照明システムに関する。更には、本発明は、光モジュールによって発される光にデータを埋め込む方法に関する。このような装置は、特に、制限された空間においての照明システムの高度な制御及び自由な空間送信に関して特に価値がある。

上述の種類の照明システムの実施例は、米国特許出願書類第2007/0008258号から知られている。この文書は、強度変調として、照明システムの光モジュールによって発される光において組み込まれるデータの自由空間送信を使用する照明ベースの通信ネットワークを開示する。光モジュールは、それぞれが異なる波長の光（原色）を発する複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を含み、人間の目へのオブジェクトの可視性を支援するための、このようなシステムから通常要求される照明を提供する。更に、ネットワークは、（バンドパスフィルタを用いて）ＬＥＤによって発される原色に対応する多重波長選択的光受信要素をそれぞれ含む複数の検出器を含む。

光モジュールは、(i)一連の入力信号を、ＬＥＤの異なる波長に対応する複数の信号へ分割すること、(ii)信号のそれぞれを対応するＬＥＤへ供給すること、及び(iii)ＬＥＤの放射強度を変調することによって符号分割多重アクセス通信を実行することによって、データを送信する。

このような変調された光を受信することは、検出器が、(i)波長選択的光受信要素のそれぞれから信号を生成すること、(ii)信号を、光モジュールによるデータ放送に関して使用される拡散コードと相関化させること、及び(iii)信号をデスクランブル化し、データを検出器の出力ポートにおいて出力として再生成することを可能にする。

米国特許出願書類第2007/0008258号に記載される解決法の欠点は、人間の目は、特に特定の周波数範囲において、強度変動に関して非常に敏感であることである。したがって、データを発される光において強度変動として実施化することによる通信ネットワークの一部としての照明システムの二次的な使用は、特に人間の目の高敏感周波数範囲において使用される場合に、人間の目への支援としてのシステムの一次的な機能を減じさせ得る。したがって、広い変調周波数範囲にわたり照明システムの一次的な機能の知覚的な性能を減少させることなく（又は、少なくとも減少を大幅に減少させて）データを送信させることを可能にする代替変調スキームを提供するための明確な必要性が存在する。

本発明は、上述の必要性を少なくとも部分的に解決する照明システム及び変調方法を提供するという目的を有する。

本発明は、この目的を、第１の態様に従い、複数の光モジュールを含む照明システムであって、前記光モジュールは、原色光を発することが可能である少なくとも２つの一次光源であって、当該光モジュールに強度及び色座標を有する（合成）光を発することを可能にさせる一次光源を含み、前記光モジュールは、発される前記光にデータの埋め込みを可能にする、前記一次光源を変調することが可能である変調器を更に含む、照明システムにおいて、前記変調器は、前記データを埋め込むために前記発される光の前記色座標を変調するように構成される、ことを特徴とする、照明システムを提供することによって達成する。

人間の目の、色における変化に対する感知性は、強度における変化よりも低いという洞察に基づいて、本発明は、人間の目への支援としての一次的な機能の性能を減少させることなく、照明システムから発される光へデータを埋め込むことを有利に可能にする。

本発明のある実施例において、前記変調器は、拡散スペクトル変調スキームに従い前記光を変調するように構成される。ある実施例において、データは、光モジュール識別コードを含む。有利には、このことは、多数の光モジュールから生じる光によって同時に照らされる場合であっても、感知装置によって個別の光モジュールの識別（及び、その結果としてこれら光モジュールの制御）を可能にする。

ある実施例において、光モジュールは、前記発される光を較正するために前記光モジュールによって発される光の前記色座標(x,y)を決定するように構成される検出器を更に含む。有利には、このことは、発される光の色点を制御及び安定化するために、フィードバックループを可能にする。

ある実施例において、前記変調器は、前記色座標の変換に関して、少なくとも論理「０」及び論理「１」を表わす少なくとも２つの色度座標(x₀,y₀)及び(x₁,y₁)を規定する変調文字を使用するように構成される。ある実施例において、前記変調文字の前記色度座標(x₀,y₀)及び(x₁,y₁)のうちの少なくとも２つは、前記発される光の目標色度座標(x_T,y_T)と共通の軸に位置するように構成される。更に別の実施例において、前記共通の軸は、前記発される光の目標色度座標(x_T,y_T)の周囲のMacAdamの楕円の延長された軸を形成する。有利には、この構成は、観る人にとって色座標変調の視認性を最小化する一方で、同時に、感知装置に対しての検出性を最大化させる。

ある実施例において、前記少なくとも２つの色度座標(x₀,y₀)及び(x₁,y₁)はそれぞれ、所定の色シフトΔxy₀及びΔxy₁を表わす。この実施例は、CIE・L*a*b*空間及びCIE・Luv空間などの、より均一な非歪み参照色空間における変調を用いてデータを埋め込む場合に、相当な有利な点を有する。

第２の態様に従うと、本発明は、本発明に従う複数の光モジュールを含む照明システムを提供する。ある実施例において、照明システムは、更に、前記発される光に埋め込まれる前記データを検出するために、前記光モジュールによって発される光の前記色座標(x,y)を決定するように構成される遠隔感知装置を含む。

本発明の第３の態様に従うと、照明システムの光モジュールによって発される光へデータを埋め込む方法であって、(i)前記光モジュールを、原色光を発することが可能である少なくとも２つの一次光源を含み、強度及び色座標を有する光を発することを可能にするように構成するステップと、(ii)変調器を用いて、前記一次光源を変調するステップと、(iii)前記変調器に、前記発される光の前記色座標を変調する一方で、前記強度を一定に維持するように構成するステップ、を含む方法を提供する。

本発明のこれら及び他の態様は、以下に説明される実施例から明らかであり、これらを参照にして説明される。

本発明の更なる詳細、構成及び有利な点は、図面と関連させて例示的及び好ましい実施例の以下の説明において開示される。

図１は、本発明に従う照明システムの実施例を示す。 図２は、CIE・xy色度図を示す。 図３は、本発明に従う光モジュールにおける変調器の実施例を示す。 図４は、本発明に従う照明システムに含まれる感知装置の実施例を示す。

図１は、本発明に従う照明システム１００を示す。システムは、複数の光モジュール１１０を含む。各モジュールは、光モジュールに、適切な混合光学系１１４を用いて光源によって発される原色光を混合することにより強度(Y)及び色座標(xy)を有する合成光を発することを可能にする、原色光を発することが可能である少なくとも２つの一次光源１１１・１１２・１１３を含む。光源は、例えば、ガス放電バルブ、無機発光ダイオード（ＬＥＤ）、有機ＬＥＤ、及びレーザダイオードなどの、いかなる種類であっても原則あり得る。したがって、例として、光モジュールは、赤色、緑色、及び青色のそれぞれを発する３つの原色光源１１１・１１２・１１３を含み得る。代替的に、光モジュールは、４つ目のアンバ色ＬＥＤなどの、３つより多くの光源を含み得る。代替的に、光モジュール１１０は、白色光などの広い所定のスペクトルを発する（第５の）蛍光体被膜ＬＥＤをも含み得る。光モジュール１１５は、発される前記光にデータの埋め込みを可能にする、前記一次光源を変調することが可能である変調器を更に含む。ある実施例において、光モジュール１１０は、前記発される光を較正するために前記光モジュールによって発される光の前記色座標(xy)を決定するように構成される検出器１１６を更に含む。

ある実施例において、（例えば、光モジュール識別コード、構成される原色光源１１１・１１２・１１３に関するデータ、発される光の発光特性、又は、音楽若しくは光モジュール１１０に近接して位置されるオブジェクト、画像若しくは像についての情報などの非照明関連データ、などを含む）データは、拡散スペクトル技術を用いて実施化される。このような技術は、「符号分割多重化アクセス」（ＣＤＭ又はＣＤＭＡ）として知られている。固有のＩＤコードが、各光モジュール１１０へ割り当てられる。ＩＤコードは、直交である、すなわち、コードの自己相関化の値は、２つの異なるコードの交差相関の値よりも相当高くなければならない。例えば、光センサなどを含む、感知装置１９０は、その後、異なる光モジュール１１０による変調光の同時的な送信の間を区別することが可能であり、これにより、感知装置は、これらの送信のそれぞれを識別し得るようにされる。更に、感知装置１９０は、識別された光モジュール１１０から受信される変調光の発光特性（強度、色点など）を測定し得る。変調光の各感知された放射に関して、感知装置１９０は、発する光モジュール１１０の識別子及び測定された発光特性の値を含むデータを（好ましくは、例えば、ZigBeeプロトコルを用いて無線で）マスタ制御器２００へ転送する。このようなデータを取得することは、マスタ制御器が、光モジュール１１０を制御することを可能させ、感知装置１９０の周囲の領域における所望な光効果を充足させるために発される光の強度又は色点を変更する。光効果は、照明システム１００の一次的な機能を形成する一方で、データの埋め込み及び送信は二次的機能を形成する。

（合成）光効果は、この光効果が三刺激値ＸＹＺを有すると仮定すると、以下の周知の関係：

を用いてCIE・xyY色空間において特徴付けられ得る。

図２は、概略的に、色度図として知られる、この色空間のxy平面を示す。以下の説明に関して、光モジュール１１０は、それぞれY_R、Y_G及びY_Bの強度を有し、それぞれ色度(x_R,y_R)、(x_G,y_G)及び(x_B,y_B)を有する可視スペクトルの赤色、緑色及び青色部分で発光する３つのＬＥＤを含むことを仮定する。これらの原色光源の追加的な色混合によって生成される光効果は、この場合、構成される成分に関して、

として特徴付けられ得る。

この場合、（合成）光効果のxyY座標は、数式１を用いて見つけられ得る。

従来技術の変調スキームは、一次光源１１１・１１２・１１３のそれぞれの光学的パワー出力を変調することによって拡散スペクトル技術を用いて直交コードとしてデータを実施化する。本質的に異なる波長（又はチャネル）に対応する各原色光源を用いて、各チャネルは、それぞれに帰属される特定のデータを有する。このようにして、Rチャネルは、X_R、Y_R、Z_Rにおける変調に対応し、同様に、それぞれG及びBチャネル特定データに関して、X_G、Y_G、Z_G及びX_B、Y_B、Z_Bにおける変調に対応する。この場合、数式２は、Y=Y_R+Y_G+Y_Bが一定を維持しないが、それ自体が、使用される周波数に依存して照明システム１００の一次的な機能を深刻に低減させ得る変調を呈することを示す。対照的に、本発明の着想は、データが、光効果の色度座標(x、y)の変調によって代替的に実施化される一方で、強度Yを一定に維持させるという洞察に基づく。有利には、人間の目は、強度における変調に対してよりも、光効果の色度座標における変調に対して低い感知性を示すので、本発明は、広い変調周波数範囲にわたり照明システムの一次的な機能の知覚的な性能を減少させることなく、照明システムにおいて使用するデータ送信の構想を提供する。

図３は、本発明に従う光モジュール１１０において含まれる変調器１１５の実施例を示す。この例において、光モジュールは、３つの一次光源１１１・１１２・１１３を含む。しかし、同様に、本発明のデータ埋め込みの着想は、少なくとも２つの原色光源を有するいかなる光モジュールに関しても作用する。一次光源１１１・１１２・１１３から発される光を混合することは、光効果を生成する。マスタ制御器２００によって供給される目標光効果１２２（図１参照）は、色度座標(x_T,y_T)(図２における点Tを参照)及び強度Y_Tによって与えられる。変調器１１５は、変調文字生成器１２０、（任意選択的な）符号化器１３０、マッパ１４０及び（任意選択的な）変換器１５０を含む。

変調文字生成器１２０は、文字サイズ１２１入力指示子に基づき変調文字１２３を生成する。例えば、文字サイズが２に等しい場合、論理「０」及び論理「１」は、それぞれ、色度座標(x₀,y₀)及び(x₁,y₁)を有する変調文字に対応し得る。代替的に、４に等しい文字サイズは、論理値「００」、「０１」、「１０」及び「１１」を有し、(x₀,y₀)、(x₁,y₁)、(x₂,y₂)及び(x₃,y₃)にそれぞれ対応するする２ビットの対を生成することが可能である。同様なマッピングは、８及び１６などに等しい文字サイズ１２１に関して生成され得る。したがって、有利には、より大きな文字サイズ１２１は、データ放送帯域幅を増加させることを本質的に可能にする変調文字１２３を強化することが可能である。好ましくは、文字色度座標(x₀,y₀)、(x₁,y₁)などは、これらの平均値が、目標色度座標(x_T,y_T)に対応するように、生成される。有利には、このことは、人間の目に対する色座標変調の視認性を最小化させる。

発される（合成）光に埋め込まれるべきデータ信号１３１は、符号化データ１３２を生成するために任意選択的な符号化器１３０へ供給される。符号化器１３０は、例えば、誤り補正に関する冗長ビットなどを追加し得る。有利には、このことは、データ送信及び受信を、例えば、雑音などによって引き起こされる誤りに対してより耐性を有するようにさせる。このような冗長ビットの例は、チェックサム、パリティビット、又は周期的冗長チェックを用いるコードであり得る。

続いて、目標光効果１２２、変調文字１２３、及び符号化データ１３２をマッパ１４０へ供給することは、データを目標(x_T,y_T)の周囲の色度座標へマップすることを可能にする。このことは、光モジュール１１０によって生成されるべき光効果(x,y,Y)を規定し、そしてYが一定を維持する（すなわちY_Tに等しい）という条件の下で送信されるべき埋め込みデータを含む記号ストリーム１４１を生じさせる。変換器１５０は、記号ストリーム１４１を、個々の一次光源１１１・１１２・１１３に関するＬＥＤ駆動信号１５１へ変換する。この変換動作は、光モジュール１１０に存在する実際の原色光源の色度座標(x_R,y_R)、(x_G,y_G)及び(x_B,y_B)に依存する。言い換えると、変換器１５０は、CIE・xyY空間を、この実施例において原色光源によって達成可能な「ＲＧＢ」色空間へ相関化させる。代替的に、変調文字生成器１２０は、原色光源色度座標についての知識を既に含むように構成され得る。このような構成は、変換器１５０の識別動作への変換動作を低減する。

図４は、本発明に従う照明システム１００に含まれる感知装置１９０の実施例を示す。感知装置１９０は、色センサ１６０、（任意選択的な）色変換器１７０、記号検出器１８０、及び（任意選択的な）復号器１３５を含む。更に、感知装置は、感知装置にマスタ制御器２００及びオペレータのそれぞれと通信することを可能にさせる適切な送受信器ユニット及びユーザインターフェイス（両方図示されず）を含み得る。

変換器１５０と同様に、色変換器１７０は、色センサ１６０の色空間をCIE・xyY空間へ相関化させる。この相関化は、色空間のスペクトル感知性がCIE色マッチング関数と等しい場合における、識別性変換と等しい。したがって、色変換器１７０は、光モジュール１１０によって生成されるべきであり、Yが一定を維持する（すなわちY_Tに等しい）という条件の下で送信されるべき埋め込みデータを含む（合成）光効果(x,y,Y)を規定する記号ストリーム１４１を再構成することを可能にする。

その後、記号検出器１８０は、記号ストリーム１４１から（符号化）データを再構成する。変調文字１２３の利用可能性は、この再構成に対する必須条件を形成する。ある実施例において、変調文字１２３は、所定のものであり、且つ、感知装置１９０に含まれるメモリ媒体におけるルックアップテーブルにおいて入手可能である。ルックアップテーブルは、変調文字１２３の目標色度座標(x_T,y_T)及び対応する色度座標(x₀,y₀)、(x₁,y₁)などのリストを含む。代替的に、変調文字１２３についての情報は、実際のデータの前段部分として、光モジュール１１０によって送信される光に含まれ得る。このことは、記号検出器１８０が、記号ストリーム１４１を解釈するのを学習することを可能にさせる。この実施例において、前段部分は、照明システム１００によって生成される光効果の目標色度座標(x_T,y_T)が変化する毎に送信されるべきである。更に別の実施例において、変調文字１２３は、目標色度点(x_T,y_T)に関わらず、固定色シフトを実施化することによって生成され得る。このようにして、この実施例において、論理「０」は色シフトΔxy₀に対応し、論理「１」は色シフトΔxy₁に対応する。この実施例は、CIE・L*a*b*空間及びCIE・Luv空間（以下参照）などの、より均一な非歪み参照色空間における変調を用いてデータを埋め込む場合に、相当な有利な点を有する。

変調器１１５における任意選択的な符号化器１３０と同様に、感知装置１９０における復号器１３５は任意選択的であり、記号検出器１８０の出力１３２からデータを再構築することを可能にする。

上述の記載は、CIE・1931・xyY色空間に関する色座標を説明している。多くの他の色空間、例えば、CIE・1960・Luv、CIE・1964・U*V*W*、CIE・1976・L*a*b*、及びHSL色空間なども、存在する。全てのこれらの空間は、よく知られた変換関係を用いて互いに変換され得る。本発明を発される光の色座標を変調する／復調させることとして説明することは、本発明の範囲をXYZ又はxyY空間へ制限しない。本発明の範囲は、いかなる色空間へも拡張される。

ある実施例において、変調文字１２３の色度座標(x₀,y₀)、(x₁,y₁)などは、前記発される光の目標色度座標(x_T,y_T)と共通の軸１２４に位置するように構成される（図２参照）。ある実施例において、共通の軸１２４は、発される光の目標色度座標(x_T,y_T)の周囲のMacAdamの楕円の延長軸を形成する。有利には、この構成は、観る人にとって色座標変調の視認性を最小化する一方で、同時に、感知装置に対しての検出性を最大化させる。CIE・xyY色空間は認識可能な色差のかなりの歪みを表示する（すなわち、MacAdam楕円１２５のサイズ及び向きは、テスト色（緑色っぽい色に関して大きく、青色っぽい色に関して小さく、赤色っぽい色に関して中間的）に広く依存して変化する）一方で、他の色空間（CIE・L*a*b*及びCIE・Luvなど）は、かなり小さい歪みを示すように設計された。したがって、これらの空間における対応する楕円は、かなりより円形になるが、延長された軸を有したままである。

本発明は、上述の実施例を参照して説明されてきたが、代替実施例も、同一の目的を達成するように使用され得ることが明らかである。本発明の範囲は、したがって、上述の実施例に制限されない。したがって、本発明の精神及び範囲は、請求項及びその等価物のみによって制限されるべきである。

Claims (13)

1. 原色光を発することが可能である少なくとも２つの光源であって、光モジュールに強度及び色座標を有する光を発することを可能にさせる光源と、
   発される前記光にデータの埋め込みを可能にする、前記光源を変調することが可能である変調器と、
   を有する光モジュールにおいて、
   前記変調器は、前記データを埋め込むために前記発される光の前記色座標を変調し、
   前記発される光の平均の色及び総光パワーが、通信中、一定に維持される、
   光モジュール。
2. 請求項１に記載の光モジュールであって、前記データは、光モジュール識別コードを含む、光モジュール。
3. 請求項１に記載の光モジュールであって、前記変調器は、拡散スペクトル変調スキームに従い前記光を変調する、光モジュール。
4. 請求項１に記載の光モジュールであって、前記発される光を較正するために前記光モジュールによって発される光の前記色座標を決定する検出器を更に含む、光モジュール。
5. 請求項１に記載の光モジュールであって、前記変調器は、前記色座標の変換に関して、少なくとも論理「０」及び論理「１」を表わす少なくとも２つの色度座標を規定する変調文字を使用する、光モジュール。
6. 請求項５に記載の光モジュールであって、前記変調文字の前記色度座標のうちの少なくとも２つは、前記発される光の目標色度座標と共通の軸に位置する、光モジュール。
7. 請求項６に記載の光モジュールであって、前記共通の軸は、前記発される光の目標色度座標の周囲においてMacAdamの楕円の延長軸を形成する、光モジュール。
8. 請求項５に記載の光モジュールであって、前記少なくとも２つの色度座標はそれぞれ、所定の色シフトを表わす、光モジュール。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の複数の光モジュールを含む照明システム。
10. 請求項９に記載の照明システムであって、前記発される光に埋め込まれる前記データを検出するために、前記光モジュールによって発される光の前記色座標を決定する遠隔感知装置を含む、照明システム。
11. 請求項１０に記載の照明システムであって、前記遠隔感知装置は、前記光に埋め込まれた前記データに基づき光モジュールを識別する、照明システム。
12. 請求項１１に記載の照明システムであって、前記遠隔感知装置は、光モジュールの光特性を測定する、照明システム。
13. 光モジュールによって発される光へデータを埋め込む方法であって、
    前記光モジュールを、原色光を発することが可能である少なくとも２つの光源であって、強度及び色座標を有する光を発することを可能にする光源を含むように構成するステップと、
    変調器を用いて、前記光源を変調するステップと、
    を含む方法において、
    前記変調器は、前記発される光の前記色座標を変調し、
    前記発される光の平均の色及び総光パワーが、通信中、一定に維持される、方法。

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